金属纳米团簇在MOFs材料中的装载及其多相催化性质研究

作者
刘伶俐;
摘要
金属-有机框架材料(MOFs)具有比表面积大、孔道规则和孔径可调等特点,金属纳米颗粒(NPs)可以装载到MOFs的孔道/框架中形成复合材料。与传统的无机多孔材料相比,MOFs材料的优势在于:1)金属纳米颗粒装载到MOFs的孔道/框架中能形成稳定、金属颗粒高度分散的复合材料。因此,MOFs已成为纳米材料的优异载体。2) MOFs不仅充当稳定纳米颗粒的作用,很多MOFs还具有独特的催化性质。当具有催化性能的纳米颗粒负载到MOFs骨架上形成纳米复合物时,由于“协同效应”大大提高其催化性能,或形成双功能催化剂,均极大程度地拓展了此类复合材料在多相催化中的应用范围。目前金属NPs@MOFs材料在催化领域也取得了很大的进展,然而在解释催化反应的机理时却遇到了前所未有的困难,其原因在于金属纳米颗粒结构的不确定性。近年来,随着尺寸小于3nm、晶体结构确定并由有机配体保护的金属纳米团簇(NCs)的兴起,人们也对这种原子尺度、结构精确的金属纳米颗粒产生了浓厚的兴趣。将金属纳米团簇引入到MOFs框架中将是一个新颖的研究方向。而金属纳米团簇存在稳定性不高、被配体包围及合成产率低等不足,将金属纳米团簇装载到MOFs形成复合材料并应用于多相催化领域将面临众多的挑战。本文将利用前驱体原位还原的方法将金属纳米团簇装载到MOFs的孔道中,随后对合成的金属纳米团簇进行表征,这种“限域合成”的方法为金属团簇的合成提供了新的思路。进而研究这些金属纳米团簇@MOFs复合物在多相催化中的应用,这将为研究催化反应机理提供了更多可能,为基础催化研究中的构效关系提供了重要的模型。本文主要研究内容包括:1.本文设计选取合适的溶剂,利用氯金酸原位还原的方法,将Au纳米团簇成功装载到ZIF-8的孔道/框架中。从ZIF-8中释放的Au NCs通过质谱、紫外等光谱分析确定为Au11:PPh3。ZIF-8不仅充当了很好的载体作用,还作为Au11:PPh3的纳米反应器(模板),获得了高纯度的Au11团簇。进而研究了Au11与ZIF-8形成的复合物的苯甲醇氧化的催化活性,并对该复合物的循环性和催化剂的稳定性进行了研究。2.由于Au11在ZIF-8中的成功合成,本文设计选取笼子尺寸更大(介孔)的金属有机框架MIL-101l(Cr)为模板,设计合成一种较大尺寸的金属团簇。利用氯金酸和硝酸银共同原位还原的方法,在MIL-101(Cr)的介孔孔道中得到了高纯度的AuAg NCs。从框架释放的AuAg NCs结晶后,通过单晶衍射仪确定其结构为Au13Ag12NCs。进而研究了Au13Ag12NCs@MIL-101(Cr)复合物催化氧化苯甲醛的活性,也对该催化剂的循环性和稳定性进行了进一步的研究。3.镍作为非贵金属的优异催化性质引起了人们的注意。本文在氨基功能化的MOFs (UIO-66-NH2)中制备了镍金属团簇,通过质谱、紫外光谱及热重分析预测了该NiNCs的结构。研究了NiNCs@UIO-66-NH2复合物在硝基苯还原反应中的催化活性和选择性。有意义的是,与纯镍团簇相比,NiNCs@UIO-66-NH2催化剂改变了硝基苯还原反应的选择性。研究配体去除的Ni@UIO-66-NH2催化剂与配体未去除的催化剂的催化活性差异,并研究了催化剂的多次循环性和稳定性。
关键词/主题词
金属-有机框架材料;MOFs;金属纳米团簇;多相催化
页数
97
出版日期
2016-11-01
学位授予单位
安徽大学
学位年度
2016
学位
博士
导师
裘灵光;朱满洲
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